DE4314827A1 - Verfahren zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrzeuges - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrzeuges

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    • B60T2250/00—Monitoring, detecting, estimating vehicle conditions
    • B60T2250/03—Vehicle yaw rate

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrzeuges ist eine wichtige Eingangsgröße bei der M Fahrzustandserfassung und für Fahrzeugnavigationssysteme. Hierzu wurde bisher ein teurer und störanfälliger Gierkreisel verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits im Fahrzeug vorhandene Sensorsignale so aufzubereiten, daß die aktuelle Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges kontinuierlich aus diesen Signalen bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem neben dem Erfassen von Raddrehzahlen des Fahrzeuges aus diesen auch die Fahrsituation des Fahrzeuges ermittelt wird. Abhängig von der herrschenden Fahrsituation werden dann die Raddrehzahlen einer Achse ausgewählt und aus diesen anschließend die Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges gebildet.
Es ist bei der Erfindung von besonderem Vorteil, daß zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit die im Fahrzeug schon vorhandenen Raddrehzahlsignale verwendet werden können, die von den Raddrehzahlsensoren eines Antiblockiersystems abgegriffen werden. Hiermit ist eine ebenso kostengünstige wie seriennahe Sensorik entwickelt, mit der die Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrzeuges erfaßt werden kann.
Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung auf. Mit den in den Unteransprüchen aufgezeigten Weiterbildungen kann die Fahrsituation des Fahrzeuges allein aus den Raddrehzahlen abgeleitet werden. Weiterhin werden Maßnahmen aufgezeigt, mit denen systematische Fehler bei der Ermittlung der Gierwinkelgeschwindigkeit korrigiert werden können.
Durch die Darstellung des Verfahrens in Form eines Computerprogrammes und die Ausführung dieses Programmes in einer mikrocomputergesteuerten Vorrichtung ist das erfindungsgemäße Verfahren in besonders einfacher Weise realisierbar und darüber hinaus in bereits bestehenden Steuergeräten als Unterprogramm zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit einsetzbar, sofern diesem Steuergerät die Raddrehzahlsignale aller Räder des Fahrzeuges zugeführt werden.
Nach der Erfindung werden in einem ersten Schritt die Radumfangsgeschwindigkeiten aus den vier Raddrehzahlen errechnet. Mit Hilfe der Radumfangsgeschwindigkeiten wird diejenige Achse ausgewählt, deren Räder unter geringerem Schlupf laufen. Aus der Differenz der Radumfangsgeschwindigkeiten dieser beiden Räder wird die Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges bestimmt. Sie wird um einen Faktor korrigiert, der aus quasistationären Kreisfahrten bestimmt wird. Dieser Faktor kompensiert Ungenauigkeiten, die von der Querbeschleunigung abhängig sind und durch den Schwimmwinkel hervorgerufen werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit und
Fig. 2 Diagramme zum Vergleich eines Referenzsignales mit aus den Raddrehzahlen ermittelten Gierwinkelgeschwindigkeiten.
1 Funktion
Bild 1 gibt einen Überblick über die Vorgehensweise bei der Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit aus Raddrehzahlen.
Die Funktion gliedert sich in
  • - Sensorsignale und fahrzeugspezifische Konstanten als Eingangsgrößen der Software,
  • - Umrechnung in Radumfangsgeschwindigkeiten,
  • - die Tiefpaßfilterung der aufbereiteten Eingangsgrößen,
  • - die Wahl der Achse mit geringstem Schlupf,
  • - die Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit,
  • - die Korrektur der Gierwinkelgeschwindigkeit mit der Querbeschleunigung und
  • - die Tiefpaßfilterung der berechneten Gierwinkelgeschwindigkeit.
Den Kern der Software bildet die Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit psiprad aus der Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten vlinks und vrechts der Räder einer Achse und der zugehörigen Spurweite b, wobei gilt:
Zu Versuchszwecken wird die so ermittelte Gierwinkelgeschwindigkeit mit dem Referenzsignal eines am Fahrzeugaufbau befestigten Gierkreisels verglichen.
1.1 Sensorsignale und fahrzeugspezifische Konstanten als Eingangsgrößen der Software 1.1.1 Sensorik
Als Meßwertaufnehmerwerden vier Raddrehzahlsensoren verwendet, die bei jedem Fahrzeug vorhanden sind, das mit Antiblockiersystem ausgerüstet ist.
Als weitere Eingangsgröße wird die aktuelle Querbeschleunigung des Fahrzeugs benötigt mit der die Genauigkeit der aus den Raddrehzahlen abgeleiteten Gierwinkelgeschwindigkeit weiter zu verbessern ist.
Diese fünf Sensorsignale werden der Software für jeden Abtastschritt als kalibrierte, physikalische Größen zugeführt.
Bei der Bestimmung der Raddrehzahlen aus den ABS-Raddrehzahlsensoren muß noch folgendes beachtet werden:
Der am Radträger befestigte induktive Aufnehmer der Raddrehzahlsensorik dreht sich entsprechend der geometrischen Auslegung der Radaufhängungen um den auf der Radachse befestigten ABS-Zahnkranz, wenn das Fahrzeug ein- bzw. ausfedert.
Bei Radhubbewegungen während der Fahrt wird durch diese Relativbewegung ein von der wahren Raddrehzahl abweichendes Drehzahlsignal ausgegeben.
Geschieht das an beiden Rädern einer Achse gleichzeitig, z. B. beim Nicken des Fahrzeugaufbaus, dann hebt sich der Fehler in der Differenzbildung der Gleichung zur Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit auf.
Beim Wanken des Fahrzeugaufbaus oder beim Einfedern einzelner Räder kompensiert sich der Fehler nicht.
Dadurch weicht die aus den Raddrehzahlen berechnete von der wahren Gierwinkelgeschwindigkeit ab. Durch Radhubbewegungen erzeugte Raddrehzahlverfälschungen sind beispielsweise bei Verwendung von Radaufhängungen mit Längslenkern besonders stark ausgeprägt.
Bei Fahrzeugen mit hartem Sportfahrwerk neigt der Fahrzeugaufbau sehr wenig zum Nicken und Wanken.
Dies hat zur Folge, daß sich obengenannte Einflüsse nur wenig auswirken.
Bei weniger hart abgestimmten Fahrzeugen wird die momentane Einfederung an jeder der vier Radauf­ hängungen gemessen, in Sensor-Relativdrehwinkel umgerechnet und kompensiert.
Ebenso können Spurweitenänderungen durch Lenk- und Federbewegungen korrigiert werden, wenn sich die Fehler im vorgestellten Algorithmus störend auswirken sollten.
1.1.2 Fahrzeugspezifische Konstanten
Der Software sind die fahrzeugspezifischen Größen
  • - Spurweite vorne bvorne, Spurweite hinten bhinten und
  • - der dynamische Reifenhalbmesser rdyn für jedes Rad bekannt.
Die dynamischen Reifenhalbmesser werden im Software-Algorithmus über der Fahrgeschwindigkeiten als konstant angenommen. Der Einfluß der Fahrgeschwindigkeit auf die dynamischen Reifenhalbmesser kompensiert sich, da beide Reifen einer Achse dieselbe Änderung des dynamischen Reifenhalbmessers erfahren. Bei der Differenzbildung in der Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit verschwindet dieser Einfluß ebenfalls.
1.2 Aufbereitung der Eingangsgrößen
Der erste Schritt der Software bildet aus den vier Raddrehzahlen mit den dynamischen Reifenhalb­ messern
  • - vier einzelne Radumfangsgeschwindigkeiten,
  • - eine mittlere Radumfangsgeschwindigkeit vvorne der Vorderachse, gemittelt aus den zwei Vorderrad­ umfangsgeschwindigkeiten,
  • - eine mittlere Radumfangsgeschwindigkeit vhinten der Hinterachse, gemittelt aus den zwei Hinterradum­ fangsgeschwindigkeiten,
  • - eine mittlere Radumfangsgeschwindigkeit vges fürs gesamte Fahrzeug, berechnet aus allen vier Radumfangsgeschwindigkeiten.
1.3 Tiefpaßfilterung der aufbereiteten Eingangsgrößen
Es folgt eine Tiefpaßfilterung der drei gemittelten Radumfangsgeschwindigkeiten mit einer Grenzfrequenz f0_V. Die Grenzfrequenz ist durch die Verringerung der Ausgangs- gegenüber der Eingangsamplitude um 3dB festgelegt. Die drei geglätteten und gemittelten Radumfangsgeschwindigkeiten werden zur Wahl der Achse mit geringstem Schlupf benötigt.
Vom Signal der geglätteten, mittleren Radumfangsgeschwindigkeit muß der aktuell gemessene Wert vges und der Wert des vorausgegangenen Abtastschritts Vges,alt bekannt sein.
Die Querbeschleunigung wird mit einer Grenzfrequenz f0_Ay tiefpaßgefiltert. Damit wird der Einfluß sich ändernder Schwimmwinkel bei steigender Querbeschleunigung korrigiert.
1.4 Wahl der Achse mit geringstem Schlupf
Nun muß entschieden werden, mit welcher Achse die exaktere Gierwinkelgeschwindigkeit berechnet werden kann. Ohne Zweifel wird das in jeder Fahrsituation die Achse sein, deren zwei Räder mit gerin­ gerem Längsschlupf laufen.
Die Gierwinkelgeschwindigkeit wird für diejenige Achse berechnet, die das geringere Antriebs- oder Bremsmoment auf die Straße überträgt.
Um diese Achse auszuwählen, wird für ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb eine Fahrsituationserkennung entwickelt, die folgende drei Fahrzustände voneinander unterscheidet:
  • - Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit und Beschleunigen,
  • - Motorbremsen und
  • - Fußbremsen.
Konstante oder beschleunigte Fahrzeugbewegung wird erkannt, wem die aktuell vorliegende, tiefpaßge­ filterte mittlere Radumfangsgeschwindigkeit vges aus allen vier Rädern größer oder gleich dem Wert beim vorhergehenden Abtastschritt vges,alt ist.
Bei Motor-Bremsmanöver mit Hinterradantrieb ist die momentan gemessene, tiefpaßgefilterte mittlere Radumfangsgeschwindigkeit der Vorderachse vvorne größer als vhinten an der Hinterachse. Beim Bremsen mit der Fußbremse wird die Bremskraft zwischen Vorder- und Hinterrädern so verteilt, daß die Vorderräder vor den Hinterrädern überbremsen. Beim Verzögern mit der Fußbremse ist vhinten größer als vvorne.
1.5 Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit
Beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, beim Beschleunigen und beim Motorbremsen ist der Schlupf an den Hinterrädern größer. Deshalb wird die Gierwinkelgeschwindigkeit aus der Bewegung der Vorderräder abgeleitet.
Beim Bremsen mit der Fußbremse gleiten zuerst die Vorderräder über die Fahrbahnoberfläche. Deshalb wird in dieser Fahrsituation die Gierwinkelgeschwindigkeit aus den Radumfangsgeschwindigkeiten der Hinterräder bestimmt.
Die Berechnung der Gierwinkelgeschwindigkeit erfolgt in beiden Fällen mit dem bereits aufgestellten Zusammenhang zwischen Raddrehzahldifferenz und Spurweite der jeweiligen Achse.
Aus dieser Gleichung erkennt man auch, daß gleicher Schlupf an beiden Rädern einer Achse keine Verfälschung der errechneten Gierwinkelgeschwindigkeit bewirkt. Da beide Räder gleichermaßen mit Schlupf beaufschlagt sind, hebt sich dieser Einfluß in der Differenzbildung heraus.
1.6 Korrektur der Gierwinkelgeschwindigkeit mit der Querbeschleunigung
Bei quasistationären Kreisfahrten wird die Differenz zwischen der berechneten und der gemessenen Referenz-Gierwinkeigeschwindigkeit untersucht. Dabei zeigt sich, daß die Differenz zwischen den zwei Signalen mit der Querbeschleunigung anwächst. Dies wird durch die Änderung des Schwimmwinkels hervorgerufen.
Die Differenz der zwei Gierwinkeigeschwindigkeitssignale ist in erster Näherung proportional zur Querbe­ schleunigung.
Bei jedem Abtastschritt wird das berechnete Gierwinkelgeschwindigkeitssignal um einen Betrag korrigiert, der sich aus dem Produkt der aktuellen Querbeschleunigung und einem Korrekturwert ergibt.
Das Verhalten des Korrekturwerts ist für alle möglichen Kurvenradien bei unterschiedlichen Fahrzeugty­ pen und Fahrzeugzuständen, Reifen und Fahrbahnoberflächen zu untersuchen und variabel in der Soft­ ware abzulegen.
1.7 Tiefpaßfilterung der berechneten Gierwinkelgeschwindigkeit
Betrachtet man in Bild 2 die mit der Querbeschleunigung korrigierte Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrversuchs auf einem Streckenabschnitt mit Kurven, so kann das aus den Radumfangsgeschwindig­ keiten berechnete Gierwinkeigeschwindigkeitssignal psiprad_ungefiltert nicht mit dem Referenz-Gierwin­ kelgeschwindigkeitssignal psip verglichen werden. Beide Signale sind unterschiedlich gedämpft. Deshalb wird das mit der Querbeschleunigung korrigierte Gierwinkelgeschwindigkeitssignal psiprad_ungefiltert mit einer Grenzfrequenz f0_Psip tiefpaßgefiltert. Die gedämpfte Größe psiprad hat das gleiche Zeitverhalten wie das gemessene Referenz-Gierkreiselsignal psip.
Erst dann können beide Signale miteinander verglichen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Gierwinkelgeschwindigkeit eines Fahrzeuges mit folgenden Schritten:
  • - Erfassen von Raddrehzahlen des Fahrzeuges,
  • - Erfassen einer Fahrsituation des Fahrzeuges,
  • - Auswahl der Raddrehzahlen einer Achse des Fahrzeuges in Abhängigkeit von der Fahrsituation und
  • - Bilden der Gierwinkelgeschwindigkeit aus den ausgewählten Raddrehzahlen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Raddrehzahlen der im jeweiligen Fahrzustand mit dem geringsten Schlupf laufenden Gruppe von Rädern des Fahrzeuges ausgewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Raddrehzahlen die jeweilige Querbeschleunigung des Fahrzeuges bestimmt und zur Korrektur der berechneten Gierwinkelgeschwindigkeit herangezogen wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Verfahren wiedergebendes Programm im Programmspeicher eines Mikrocomputers geladen ist.
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